CN104670487B - 悬停式飞行器旋翼及悬停式飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种悬停式飞行器旋翼(3)及悬停式飞行器，悬停式飞行器旋翼包括：毂(5)，其围绕轴线(A)转动并具有多个叶片(9)；驱动轴(6)，能连接于飞行器(1)的驱动构件并且功能性地连接于毂(5)，以围绕轴线(A)转动毂(5)；以及阻尼装置(15)，用于缓冲传递到轴(6)的振动，并且阻尼装置包括质量块(17)，质量块被设计成在使用时振荡，以便阻抗由叶片(9)的转动所产生的振动向轴(6)传递；质量块(17)平行于轴线(A)自由地振荡，以便阻抗具有沿所述轴线(A)的主分量的振动向轴(6)传递。

Description

悬停式飞行器旋翼及悬停式飞行器

技术领域

本发明涉及一种包括振动阻尼(damping，缓冲)装置的悬停式飞行器(盘旋式飞行器，hover aircraft)旋翼，特别地涉及一种直升机旋翼。

背景技术

直升机是已知的，其基本上包括：机身；主旋翼，位于机身的顶部上，并且主旋翼围绕相应的轴线转动；尾旋翼，位于机身的后端处；两个水平尾翼表面；以及两个竖直尾翼表面。

更具体地，旋翼基本上包括：毂，其围绕所述轴线转动并且具有固定于毂并从毂径向地突出的多个叶片；以及驱动轴，可连接于驱动构件且被功能性地连接于毂以使毂转动。

旋翼的操作产生高频和低频振动。更具体地，低频振动是由来自于叶片和来自于毂的中心的洗流(wash)产生。来自于毂的中心的洗流冲击竖直和水平空气动力学尾翼表面和尾旋翼。

为了避免产生低频振动，旋翼包括偏流器(flow diverter，分流器)，偏流器安装在旋翼的中心上并且环形地围绕旋翼转动轴线延伸。

更具体地，偏流器设计成引导由旋翼产生的洗流，以便避免洗流效果、并且防止洗流冲击尾旋翼和相关的支撑结构。

叶片的高速转动也产生高频振动，该高频振动被传递到驱动轴，并且因而被传递到直升机。

使用阻尼装置来阻止高频振动的产生以及高频振动向旋翼的驱动轴的传递，所述阻尼装置装配于旋翼并且被调谐到一个或多个高频振动频率。

专利申请GB-A-2014099和FR-A-2749901中描述了一种这样的阻尼装置。

特别地，FR-A-2749901公开了一种阻尼装置，其减少了振动在正交于旋翼的轴线的平面中向机身的传递。该阻尼装置包括驱动装置，该驱动装置沿旋翼的轴线在所要求的调节位置中引入一质量块(mass)，而无需在该质量块上施加任何阻尼作用。

结果，在FR-A-2749901中所示出的阻尼装置绝不能减少轴向振动从叶片向机身的传递。

本申请人的专利申请PCTIB2008001594描述了一种简单、低成本的阻尼装置，其被设计成阻止高频振动的产生以及高频振动向旋翼的驱动轴的传递，而不干涉旋翼和/或偏流器的操作和空气动力学特性。

更具体地，上述阻尼装置基本上包括：

-质量块，被容纳在偏流器中；以及

-杆，其在第一轴向端处由所述轴同轴地支撑，并且所述杆在与第一端相对的第二轴向端处连接于质量块。

更具体地，杆的轴向刚性足以沿旋翼轴线将质量块固定在一基本上固定的位置中。

相对地，杆的抗挠刚度形成为使得允许质量块在垂直于旋翼轴线的平面中且以旋翼特征(characteristic，固有)转动频率振动，并且因此阻抗由毂和叶片的转动产生的挠曲振动向轴传递。

因此，上面所描述的阻尼装置仅有效地阻抗挠曲振动在基本上垂直于旋翼轴线的平面中且以大约特定给定频率(其由杆的挠曲刚度和质量块的重量确定)的频率向轴传递。

换句话说，上面所描述的阻尼装置是一种被调谐到挠曲振动的特定频率的用于阻尼的“被动”元件。

在行业内人们感受到一种需要，即，还可有效地阻抗轴向振动向轴的传递，即平行于轴线的传递。

在直升机上引入可变速旋翼(即，所述可变速旋翼被设计成在直升机的运行过程中以不同的速度转动)之后，人们还感受到一种需要，即，防止具有高度可变频率范围的振动向驱动轴传递。

发明内容

本发明的目的是提供一种悬停式飞行器旋翼，其被设计成以简单、低成本的方式满足上述要求中的至少一个。

根据本发明，提供了一种悬停式飞行器旋翼，包括：

-毂，其围绕轴线转动并包括多个叶片；

-驱动轴，能连接于所述飞行器的驱动构件，并且功能性地连接于所述毂，以围绕所述轴线转动所述毂；以及

-阻尼装置，用于缓冲传递到所述轴的振动，并且所述阻尼装置包括质量块，质量块被设计成在使用时振荡，以便阻抗由所述叶片的转动所产生的振动向所述轴传递；

所述旋翼的特征在于，所述质量块平行于所述轴线自由地振荡，以便阻抗具有沿所述轴线的主分量的振动向所述轴传递；

所述阻尼装置包括至少一个第一致动器，所述第一致动器功能性地连接于所述质量块并且是能控制的，以在所述质量块上产生具有平行于所述轴线的主分量的第一阻尼力；

所述第一致动器是能控制的，以便在所述质量块上以在使用时根据所述旋翼围绕所述轴线的角速度产生具有平行于所述轴线的主分量且具有变化的频率的所述第一阻尼力，以便使所述质量块平行于所述轴线振荡。

附图说明

本发明的优选的、非限制性的实施例将参考附图通过实例的方式描述，在附图中：

图1示出了包括根据本发明的旋翼的直升机的侧视图；

图2示出了图1旋翼的一部分，其中为了清楚起见，一些部件仅被部分地示出；

图3示出了图1和图2旋翼的多个部件；

图4示出了在图1至图3中的旋翼的其他部件的示意图。

具体实施方式

图1中的标号1表示悬停式飞行器，特别地表示直升机，该直升机基本上包括：机身2；主旋翼3，位于机身2的顶部上，并且主旋翼围绕轴线A转动；以及尾旋翼4，位于机身2的后端处，并且尾旋翼围绕与轴线A交叉的相应轴线转动。

更具体地，旋翼3包括中空的毂5、具有轴线A、装配有且从其突出有多个叶片9，所述多个叶片相对于轴线A径向地延伸。

旋翼3还包括驱动轴6，该驱动轴围绕轴线A转动、与毂5成角度地整体形成、并且以未示出的方式地连接于直升机1上的驱动构件(例如涡轮机)。更具体地，轴6是中空的。

更具体地(图2)，轴6被部分地容纳在毂5内，并且该轴通过花键以及通过轴向地插设于轴6与毂5之间的两个楔块而与毂5成角度地连接成整体。更具体地，花键被轴向插设在所述两个楔块之间。

旋翼3还包括偏流器10，偏流器用于将由旋翼3的转动所产生的洗流沿着给定路径引导，其被设计成防止由来自于位于毂5的相对侧上的叶片9的端部的洗流所产生的振动。

更具体地，偏流器10是环形的，其围绕轴线A延伸，并且偏流器定位在毂5的与机身2相对的侧部上。

偏流器10为“盖”的形式，并由两个轴向面对的壁11和12界定。更具体地，壁11在与毂5相对的侧部上轴向地限定偏流器10，并且壁12在毂5侧上轴向地限定偏流器10。

壁11是连续的，并且该壁以距毂5渐减的轴向距离从轴线A径向地向外延伸。

壁12具有：圆形的第一周边边缘13；以及与周边边缘13相对且相对于周边边缘13径向向外的第二周边边缘(图2中未示出)。壁12的第二周边边缘还轴向地面向壁11的周边边缘。

壁11和12被设计成使得它们之间的轴向距离沿轴线A径向向外地减小。

更具体地，当从边缘13朝向第二边缘工作时，壁12首先远离毂5延伸、然后朝向毂5延伸。

壁11和12通过截锥形管状本体彼此连接，所述截锥形管状本体相对于轴线A对称，并且所述截锥形管状本体的横向表面在壁11和12之间延伸。

旋翼3还包括振动阻尼装置15。

装置15基本上包括质量块17，该质量块功能性地连接于毂5和轴6，以便阻抗由叶片9的转动产生的振动的传递。

质量块17有利地平行于轴线A自由地振荡(摆动，oscillate)，以便防止平行于轴线A的振动传递到轴6以及因而传递到毂5和机身2。

换句话说，装置15减少了轴向振动向轴6的传递。

装置15还包括致动器30，该致动器功能性地连接于质量块17并且是可控制的，以在质量块17上产生具有平行于轴线A的主分量的第一阻尼力，以防止平行于轴线A的振动传递到轴6和毂5。

更具体地，装置15包括导向器16，所述导向器与轴线A同轴，并且质量块17沿着所述导向器安装以便平行于轴线A振荡。

致动器30包括本体31，该本体被容纳在轴6中并限定用于容纳质量块17的腔室。

导向器16延伸通过本体31。

质量块17是具有轴线A的管状本体，导向器16同轴地延伸通过该管状本体。

更具体地，质量块17通过弹性装置在相对的轴向端部表面18和19处弹性地连接于本体31。

在所示出的实例中，所述弹性装置包括第一和第二螺旋弹簧32，所述第一和第二螺旋弹簧具有各自的平行于轴线A的轴线。

第一弹簧32插设于表面18与装置15的本体45之间，并且第二弹簧32插设于表面19与致动器30的本体56之间，并连接于本体31。

换句话说，质量块17弹性地悬置于本体31内，以沿导向器16振荡。

每个螺旋弹簧的平行于轴线A的刚性以及质量块17的尺寸优选地形成为使得由它们所形成的系统的固有频率等于N*Ω，其中，N是叶片9的数量，并且Ω是轴6的转动频率。

装置15还包括：

-传感器33(在图2中示意性示出)，用于产生与轴6的平行于轴线A的以及在垂直于轴线A的平面中的加速状态相关的多个信号；以及

-控制单元34(图4)，被设计成基于由传感器33产生的信号之一在质量块17上产生阻尼力。

更具体地，传感器33是加速度计，其检测在毂5的中心O处的、在平行于轴线A的方向上的、以及在垂直于轴线A的平面中的两个方向上的加速度值。

在所示的实例中，传感器33沿轴线A安装。优选地，传感器33位于毂5的中心O处。

控制单元34基于由传感器33检测到的平行于轴线A的加速度值来控制致动器30。

致动器由控制单元34控制，以在质量块17上产生正弦的第一阻尼力，所述第一阻尼力具有沿轴线A的第一分量以及大约N*Ω的频率，其中，N是叶片9的数量，并且Ω是轴6的转动频率。

该正弦力导致质量块17平行于轴线A振荡以及沿导向器16振荡。

在图2的实施例中，致动器30包括：

-多个绕组35，装配于本体31并且功能性地连接于控制单元34；以及

-永磁体36，装配于质量块17并且磁性地耦接于绕组35。

更具体地，控制单元34导致交流电流在绕组35中流通。由于绕组35与永磁体36之间的磁性耦接，该交流电流在质量块17上产生平行于轴线A定向的第一阻尼力。

装置15还包括两个致动器41、42，该两个致动器功能性地连接于轴6，并且该两个致动器是可控制的，以在轴6上分别产生在垂直于轴线A的平面内具有分量的第二和第三阻尼力。

因此，致动器41和42减少了力在垂直于轴线A的平面中向轴6、以及因此向毂5和机身2的传递。

更具体地，致动器41、42为叠置的环的形式，所述叠置的环由轴6转动并且被安装成围绕轴线A相对于轴6转动。

致动器41在与轴6围绕轴线A转动相同的方向上并且以(N-1)*Ω的频率围绕轴线A相对于轴6转动。

由致动器41在轴6上所产生的第二阻尼力是正弦的，并且具有(N-1)*Ω的频率。

致动器42在与轴6转动相对的方向上围绕轴线A转动，并且具有(N+1)*Ω的频率。

由致动器42在驱动轴6上所产生的第三阻尼力是正弦的，并且具有(N+1)*Ω的频率。

因此，第二和第三阻尼力均相对于机身2具有N*Ω的频率，其中，N是叶片9的数量，并且Ω是轴6的转动频率。频率N*Ω对应于用于阻尼的振动(即，从叶片9向机身2传递的振动)的频率。

致动器41、42被容纳在本体45内并且相对于该本体转动，所述本体围绕轴线A转动并被固定于本体31且因此被固定于轴6和毂5。

更具体地，本体45是中空的，并且相对于本体31被定位在与偏流器10相同的侧部上以及与本体56相对的侧部上。

控制单元34也被容纳在本体45中，并且被致动器41、42包围。

本体45优选地包括基座46，该基座位于质量块17侧上并被固定于导向器16。本体45还被固定于控制单元34。

更具体地，致动器41、42是产生离心力的类型的，即，每个致动器均包括相对于相应轴线B、C偏心的盘状部。

由致动器41、42产生的第二和第三阻尼力的振幅是通过调节致动器41、42的两个偏心盘状部之间的角距离获得的。

由致动器41、42产生的第二和第三阻尼力的相位是通过调节各自的偏心盘状部的平均方位角值获得的。

相应的质量块的位置根据致动器41、42相对于轴线A的转动速度改变，以便分别产生模数和相位变化的正弦的第二和第三阻尼力。

致动器41、42基于由传感器33测得的量而由控制单元34控制。

如在图4中示意性地示出的，控制单元34包括多个级37a、37b、37c，每个级均从传感器33接收各自的输入信号26a、26b、26c、并且供应用于各自的致动器30、41、42的各自的输出信号27a、27b、27c。

更具体地，级37a、37b、37c是彼此独立的，即，每个级37a、37b、37c仅接收各自的输入信号26a、26b、26c，并且仅产生各自的输出信号27a、27b、27c。

最后，装置15包括：

-缆线60，电连接于电源(未示出)，且相对于轴线A固定；

-导管59，容纳缆线60；

-滑环(集电环，slip-ring)61，电连接于缆线60，并且用于保持控制单元34与相对于轴线A固定的缆线60之间的电连接；以及

-编码器62，用于确定轴6围绕轴线A的角位置。

缆线60、导管59、滑环61以及编码器62位于轴线A的与偏流器10轴向地相对的侧部上。

缆线60、编码器62、滑环61、和导管59与轴线A同轴地延伸。

导管59被固定于本体56并位于与本体31相对的侧部上。

在实际使用中，轴6围绕轴线A转动毂5和叶片9。

更具体地，轴6可以可变的角速度并且因此可以可变的频率Ω围绕轴线A转动。

毂5和叶片9的转动产生振动，该振动被传递到轴6，并且从该轴传递到直升机1的机身2。

该振动的主要频率为N*Ω，其中，N是叶片9的数量，并且Ω是轴6的转动频率。

轴6的加速度由传感器33检测。

基于平行于轴线A的加速度值，控制单元34控制致动器30，以在质量块17上产生第一阻尼力。该第一阻尼力是正弦的，且平行于轴线A定向，并具有N*Ω的频率。

第一阻尼力导致质量块17沿轴线A在导向器16上振荡，并且所以缓冲传递到轴6和传递到机身2的具有平行于轴线A的分量的振动。

更具体地，控制单元34使得交流电流在电绕组35内流动。并且，由于电绕组35与永磁体36之间的磁性耦接，在质量块17上产生第一轴向阻尼力。

基于由传感器33在垂直于轴线A的平面内检测到的加速度值，控制单元34还命令(command，控制)致动器41和42分别在质量块17上产生第二和第三阻尼力。

更具体地，致动器41在与轴6相同的方向上以频率(N-1)*Ω转动。

由致动器41产生的第二阻尼力是正弦的、位于平行于轴6的轴线的平面中、并且相对于轴线A径向地定向。

第二阻尼力具有(N-1)*Ω的频率。

致动器42在与轴6相对的方向上以(N+1)*Ω的频率转动。

由致动器42产生的第三阻尼力是正弦的、位于平行于轴6的轴线的平面内、并且相对于轴线A径向地定向。

第三阻尼力具有(N+1)*Ω的频率。

由于致动器41在与轴6相同的方向上以频率(N-1)*Ω围绕轴线A转动，并且致动器42在与轴6相对的方向上以频率(N+1)*Ω围绕轴线A转动，两者相对于机身2均具有转动频率N*Ω、并且分别在与轴6相同和相对的方向上转动。

因此，致动器41、42相对于机身2的转动频率对应于用于阻尼的、且由叶片9引入于机身2上的振动的频率N*Ω。

因此，致动器41、42在减少振动在平行于轴线A的平面中向机身2传递的方面是有效的。

根据本发明的旋翼3的优点将通过上面的描述而变得清楚。

特别地，装置15允许质量块17沿轴线A自由地振荡，从而，与在背景技术中所描述的解决方案不同，其使得质量块17有效地防止了平行于轴线A定向的、从叶片9向机身2传递的振动。

装置15的致动器30还在质量块17上施加平行于轴线A定向的且频率为N*Ω的第一阻尼作用力。

这样，装置15能够在较宽范围的振动频率上减少振动从叶片9向机身2的传递。

这使得装置15特别适合于使用在可变速的旋翼3上。

事实上，当旋翼的转动速度变化时，从叶片9向机身2传递的振动的频率N*Ω也相应地变化。并且，通过简单地控制致动器30来改变第一阻尼力的频率，装置15能够适应于旋翼3的转动速度的该变化。

沿由质量块17和弹性装置32限定的系统的轴线A的振动的固有频率对应于用于阻尼的振动的频率N*Ω。

因此，用于产生第一阻尼力所需要的能量可减少。

此外，在致动器30操作错误或出现故障的情况下，质量块17继续以等于用于阻尼的振动的频率N*Ω的频率自由地振动，由此至少部分地继续减少传递到机身2的振动。

致动器41、42减少在垂直于轴线A的平面中传递到机身2的振动，并且能主动地调谐到旋翼3的不同转动频率Ω。

控制单元34基于由一个传感器33产生的输入信号而控制致动器30、41、42，并且产生用于致动器30、41、42的输出控制信号。

控制单元34的每个级37a、37b、37c均接收各自的输入信号26a、26b、26c，并且供应各自的输出信号27a、27b、27c，所述各自的输出信号仅取决于各自的输入信号26a、26b、26c。

因此，控制单元34的逻辑是极其简单的，从而降低了装置15的总成本。

装置15可以容易地安装，以便对包括毂5、轴6和叶片9的现有旋翼3进行升级。

这可以通过简单地将装置15固定在旋翼3内以及将缆线60连接于电源来实现。

很明显，可以对本文所描述和所示出的旋翼3进行改变，但不偏离在所附权利要求中限定的保护范围。

更具体地，致动器30可以被替换为两个致动器，所述两个致动器类似于致动器41、42、安装在致动器41和42之间、并沿各自的相对方向上转动。

传感器33可产生仅与平行于轴6的轴线A的加速度相关联的信号。

与加速度计不同，传感器33可以是变形或载荷传感器、或用于检测轴6的载荷和加速度二者的混合传感器。

Claims (13)

1.一种悬停式飞行器旋翼(3)，包括：

-毂(5)，其围绕轴线(A)转动并包括多个叶片(9)；

-驱动轴(6)，能连接于所述飞行器(1)的驱动构件，并且功能性地连接于所述毂(5)，以围绕所述轴线(A)转动所述毂(5)；以及

-阻尼装置(15)，用于缓冲传递到所述轴(6)的振动，并且所述阻尼装置包括质量块(17)，所述质量块被设计成在使用时振荡，以便阻抗由所述叶片(9)的转动所产生的振动向所述轴(6)传递；

其特征在于，所述质量块(17)平行于所述轴线(A)自由地振荡，以便阻抗具有沿所述轴线(A)的主分量的振动向所述轴(6)传递；

所述阻尼装置(15)包括至少一个第一致动器(30)，所述第一致动器功能性地连接于所述质量块(17)并且是能控制的，以在所述质量块(17)上产生具有平行于所述轴线(A)的主分量的第一阻尼力；

所述第一致动器(30)是能控制的，以便在所述质量块(17)上产生具有平行于所述轴线(A)的主分量的所述第一阻尼力，所述第一阻尼力具有的频率在使用时根据所述旋翼(3)围绕所述轴线(A)的角速度而变化，以便使所述质量块(17)平行于所述轴线(A)振荡。

2.根据权利要求1所述的旋翼，其特征在于，所述第一致动器(30)是能控制的，以便以第一频率f＝N*Ω产生所述第一阻尼力，其中，N是所述叶片的数量，并且Ω是所述旋翼(3)的转动频率。

3.根据权利要求2所述的旋翼，其特征在于，所述旋翼包括弹性构件(32)，所述弹性构件插设于所述质量块(17)与所述第一致动器(30)之间；

所述弹性构件(32)和所述质量块(17)具有平行于所述轴线(A)的固有振荡频率N*Ω。

4.根据前述权利要求中任一项所述的旋翼，其特征在于，所述第一致动器(30)包括与所述轴线(A)同轴的导向器(16)，并且所述质量块(17)安装在所述导向器上以相对于所述轴线(A)振荡。

5.根据权利要求1所述的旋翼，其特征在于，所述第一致动器(30)包括本体(31)，所述本体连接于所述轴(6)，并且所述本体与所述轴整体地围绕所述轴线(A)转动；

所述本体(31)和所述质量块(17)中的一个包括至少一个永磁体(36)，所述永磁体磁性地耦接于由所述本体(31)和所述质量块(17)中的另一个承载的电绕组(35)。

6.根据权利要求5所述的旋翼，其特征在于，所述第一致动器(30)还包括：

-滑环(61)，用于对所述电绕组(35)提供电力；以及

-编码器(62)，用于确定所述轴(6)围绕所述轴线(A)的角位置。

7.根据权利要求1所述的旋翼，其特征在于，所述轴(6)是中空的并且至少部分地容纳所述第一致动器(30)。

8.根据权利要求1所述的旋翼，其特征在于，所述阻尼装置(15)包括第二致动器(41)和第三致动器(42)，所述第二致动器和所述第三致动器功能性地连接于所述质量块(17)并且是能控制的，以分别在所述质量块(17)上产生第二阻尼力和第三阻尼力；所述第二阻尼力和所述第三阻尼力中的每一个均在垂直于所述轴线(A)的平面中具有主分量，以便防止振动在垂直于所述轴线(A)的所述平面中向所述轴(6)传递。

9.根据权利要求8所述的旋翼，其特征在于，所述第二致动器(41)和所述第三致动器(42)通过所述轴(6)而围绕所述轴线(A)转动，并且所述第二致动器和所述第三致动器在使用时相对于所述轴(6)且围绕所述轴线(A)转动；

所述第二致动器(41)是能控制的以便以第二频率(N-1)*Ω产生所述第二阻尼力，并且所述第二致动器以所述第二频率在与所述轴(6)相同的方向上相对于所述轴转动；

所述第三致动器(42)是能控制的以便以第三频率(N+1)*Ω产生所述第三阻尼力，并且所述第三致动器以所述第三频率在与所述轴(6)相对的方向上相对于所述轴转动；其中，N是所述叶片的数量，并且Ω是所述旋翼(3)的转动频率。

10.根据权利要求8或9所述的旋翼，其特征在于，包括：

-传感器(33)，用于产生与所述轴(6)沿所述轴线(A)的以及在垂直于所述轴线(A)的平面中的加速状态相关联的至少一个数量的信号；以及

-控制单元(34)，所述控制单元是能控制的，以基于由所述传感器(33)检测到的数量来命令所述第一致动器、所述第二致动器和所述第三致动器(30、41、42)分别产生所述第一阻尼力、所述第二阻尼力和所述第三阻尼力。

11.根据权利要求10所述的旋翼，其特征在于，所述传感器(33)沿所述轴线(A)定位。

12.根据权利要求11所述的旋翼，其特征在于，所述控制单元(34)包括三个级(37a、37b、37c)，该三个所述级被供应有来自于所述传感器(33)的各自的输入(26a、26b、26c)并且被设计成产生用于所述第一致动器、所述第二致动器和所述第三致动器(30、41、42)的各自的输出(27a、27b、27c)；

每个所述级(37a，37b，37c)被设计成仅基于各自的输入(26a、26b、26c)产生各自的输出(27a、27b、27c)。

13.一种悬停式飞行器(1)，其特征在于，包括根据权利要求1所述的旋翼(3)。